ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ВЕТОХИНА ЭМВ Российский патент 1998 года по МПК H02K5/12 

Изобретение относится к области судовой электротехники, в частности, к погружным электрическим машинам, которые применяются для приводов различных механизмов глубоководных подводных обитаемых и необитаемых аппаратов (ГПА) на любой глубине Мирового океана.

Известная электрическая машина содержит статор, двухслойный ротор, выполненный из пакета электротехнической стали, на который напрессован массивный цилиндр их железномедного сплава, толщина которого определяется из соотношения магнитной проницаемости и электропроводности сплава. С торцов цилиндра приварены короткозамкнутые кольца из меди [1].

Двухслойный ротор с цилиндром из железомедного сплава предназначен для параметрического регулирования частоты вращения ротора в узких пределах 2 : 1.

Однако эта машина может быть использована только при работе на воздухе и не может быть использована при работе в морской воде, являющейся охладителем активных частей машины, т.к. в этом случае будет происходить электрохимическая коррозия всех активных частей машины в недопустимых пределах.

Из известных электрических машин наиболее близкой к заявляемой, выбранной заявителем за прототип, является "Электрическая машина Ветохина ЭМВ" [2].

ЭВМ содержит статор, ротор с валом, установленным в подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, между валом и подшипниковым щитами имеются зазоры, статор и ротор имеют протекторную защиту из сплава алюминия.

Данная машина обеспечивает надежную длительную работу в качестве привода любого подводного механизма, находящегося на неограниченной глубине погружения в морской воде, которая является охладителем внутренних активных частей электродвигателя, в том числе обмотки статора и подшипников.

Однако указанная ЭВМ не имеет электрохимической защиты корпуса от контактной коррозии, вызванной большой присоединительной массой глубоководного подводного аппарата (ГПА), к которому крепится электрическая машина, особенно когда корпус ГПА и корпус ЭВМ сделаны из различных металлов или сплавов. Кроме того, ЭВМ с короткозамкнутым ротором не обеспечивает высокие пусковые характеристики для приводов таких механизмов, как лебедки, шпили, брашпили, компрессоры, и имеются дополнительные потери от высших гармоник полей в немагнитном зазоре из-за пазов статора и ротора, указанные поля высших гармоник вызывают вибрацию машины и ухудшают виброакустические характеристики (ВАХ).

Задачей настоящего изобретения является повышение срока службы и ресурса за счет исключения контактной коррозии корпуса, вызванной большой присоединительной массой ГПА, а также повышение надежности, энергетических характеристик и улучшения ВАХ.

Задача решается тем, что в известной электрической машине, содержащей статор, ротор с валом, заключенными в корпус, подшипники и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, при этом статор и ротор имеют протекторную защиту из сплава алюминия, между валом и подшипниковым щитам имеются зазоры, корпус статора, выполненный из высокопрочного антикоррозионного материала, имеет на внешней поверхности кольцевые канавки по окружности поверхности, в которые запрессованы внатяг протекторные кольца-обручи, равномерно распределенные по корпусу, ротор имеет со стороны торцов круговые кольца-протекторы, вставленные к электротехнической стали в гильзу ротора, выполненную из высокопрочного магнитоэлектропроводящего материала, и приваренные к ней, при этом внешняя поверхность гильзы ротора имеет рифление в виде многозаходной винтоканавочной нарезки, симметричной относительно центра ротора, с шагом, равным половине длины ротора, причем протекторные кольца-обручи корпуса и круговые кольца-протекторы ротора выполнены из алюминиево-магниево-цинкового сплава.

Новизна заявленного технического решения состоит в следующем:
на корпусе машины имеются кольцевые канавки по окружности корпуса, в которые запрессованы протекторные кольца-обручи;
электротехническая сталь и гильза ротора имеют с торцов круговые кольца-протекторы и контактирующие между собой;
поверхность гильзы ротора имеет рифление в виде многозаходной винтоканавочной нарезки с канавками по сечению в виде многоугольников (треугольной, прямоугольной, трапецеидальной) или полусферической формы. Для конкретной конструкции ротора и с учетом насосного эффекта, который зависит от загрязненности окружающей среды, выбирается только один из типов конфигурации канавок.

Протекторные кольца-обручи, укрепленные на корпусе ЭВМ, позволяют исключить контактную коррозию корпуса ЭВМ в морской воде, вызванную большой присоединительной массой ГПА, когда корпусы ГПА и ЭВМ выполнены из различных металлов или сплавов (в данном случае протекторные кольца-обручи выполняют функции анодов, а корпус машины - функции катода).

Установленные кольца-протекторы внутри гильзы ротора вплотную к нажимным листам пакета ротора полностью исключают контактную коррозию электротехнической стали пакета ротора и поверхности гильзы в немагнитном рабочем зазоре машины.

Рифление поверхности гильзы из композиционного магнитоэлектропроводящего материала увеличивает общую площадь поверхностного слоя гильзы ротора, в результате чего уменьшается активное сопротивление этого слоя и в рабочем режиме двигателя уменьшаются потери мощности в гильзе, возрастают КПД и коэффициент мощности.

При пуске, когда ротор стоит и скольжение равно единице (S = 1), активное сопротивление гильзы довольно велико и в связи с возрастанием активного сопротивления гильзы ротора двигатель развивает достаточно высокий пусковой момент.

Применение винтоканавочной нарезки на гильзе ротора позволяет, кроме указанных улучшений энергетических характеристики, создать достаточный насосный эффект для прокачки морской воды с обильным содержанием ила и биоорганизмов по рабочему зазору; это мероприятие повышает надежность электродвигателя и исключает возможность торможения ротора в указанных условиях моря.

Вышеперечисленные технические решения позволяют повысить энергетические, пусковые и виброакустические (ВАХ) характеристики машины, срок службы, ресурс и надежность машины в целом и дают возможность применять эту машину в качестве привода на любых забортных механизмах, особенно на якорно-швартовных устройствах, компрессорах и лебедках, причем протекторы на корпусе машины легко заменяются на новые без разборки машины при плановой постановке ГПА и док.

На фиг. 1 показан продольный разрез машины; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - корпус машины с встановленными протекторными кольцами-обручами; на фиг. 4 - схематично развернутая поверхность гильзы ротора с шестизаходной винтоканавочной нарезкой.

Электрическая машина (ЭВМ) содержит корпус 1 статора из антикоррозионного материала, например из нержавеющей стали марки 15Х13, в котором запрессован пакет сердечника 2 статора, скрепленный по торцам нажимными листами 3 из нержавеющей стали, в пазах пакета 2 статора уложена протяжная трехфазная обмотка 4 из обмоточного провода с изоляцией из облученного сшитого полиэтилена, наложенного на медь, и внешнего слоя из фторопласта марки 2М, выполняющего функцию механической защиты изоляции. Статор имеет электрохимическую протекторную защиту пакета 2 в виде колец 5 из алюминиево-магниево-цинкового сплава, запрессованных по торцам в корпус 1. Корпус 1 электрической машины (ЭВМ) имеет электрохимическую протекторную защиту в виде колец-обручей 6 (фиг. 3), запрессованных в канавки равномерно по длине корпуса.

Указанные элементы протекторов изготовлены из сплава Al-Mg-Zn, их толщина должна быть не менее 8 - 10 мм, а ширина выбирается в зависимости от габаритов машины, но не менее 10 мм. Количество колец-обручей выбирается из соотношения суммарных площадей поверхностей протекторов к площади поверхности корпуса электромашины, контактирующие с морской водой.

Это соотношение находится в пределах 1/20 - 1/10. На вал 7, выполненный из высокопрочной антикоррозионной стали, например из стали 40Х13) насажен пакет сердечника ротора 8 без пазов и обмотки, скрепленный по торцам нажимными листами 9 из кадминиевой бронзы (MKg), электропроводность которой близка к меди. На пакет ротора 8 с нажимными листами 9 напрессована гильза 10 из композиционного магнитоэлектропроводящего материала, в которую по торцам вставлены вплотную к пакету ротора 8 круговые кольца-протекторы 11.

Круговые кольца протекторы 11 и нажимные листы 9 приварены к внутренней поверхности гильзы 10 в единый конструктивный узел 12, служащий токопроводом для замыкания тангенциальных составляющих токов ротора (фиг. 1).

Геометрические размеры круговых колец-протекторов определяются из условий, указанных выше для протекторов корпуса.

Поверхность гильзы 10 имеет винтоканавочную многозаходную нарезку 13 (фиг. 2), в данном примере канавки полусферической формы с числом заходом нарезки или канавок равным шести.

Наиболее эффективной конфигурацией канавки по сечению для насосного режима является полусферическая или треугольная с числом заходов, равным 3 - 6, шириной и глубиной 3 - 5 мм. Для реверсивных электродвигателей винтоканавочная нарезка выполняется симметрично относительно центра ротора с шагом, равным половине длины гильзы ротора.

Для выравнивания гидростатического давления внутри пакета ротора предусмотрен ряд концентричных сквозных отверстий 14, проходящих через нажимные листы 9 и пакет сердечника ротора 8 (фиг. 1, 2). Отверстия 14 расположены на одинаковом расстоянии от оси машины и сдвинутых на одинаковый угол между собой. Диаметр и их количество определяются конструктивно, в зависимости от габаритов ротора.

Машина содержит подшипниковые щиты 15 с концентрично расположенными отверстиями 16 для входа морской воды и такими же отверстиями 17, расположенными на периферии подшипниковых щитов, для выхода морской воды. Между валом 7 и подшипниковыми щитами 15 имеются свободные зазоры 18 для входа морской воды на скользящие пары подшипников для охлаждения и смазки. В подшипниковые щиты 15 запрессованы металлокерамические вкладыши 19 подшипников скольжения, а на вал 7 напрессованы подвижные втулки 20 из высокопрочной антикоррозионной термообработанной стали (например, из стали ДИ48-ВД) с опорными и упорными поверхностями скольжения высокой чистоты обработки (до 10 класса). Между пакетом 2 статора и гильзой 10 ротора имеется рабочий немагнитный зазор 21, который определяется расчетом.

Сборка конструкции ЭВМ производится следующим образом.

На изготовленном корпусе 1 с пакетом электротехнической стали 2 протачивают на токарном станке кольцевые канавки по окружности корпуса 1 и из шины материала протекторов изгибают обручи 6 (фиг. 3) и запрессовывают их в эти канавки, а места стыковки свариваются, затем с торцов внутрь корпуса 1 запрессовываются кольца-протекторы 5 вплотную к пакету статора 2.

Одновременно на изготовленный ротор с валом 7 на его активную часть пакета электротехнической стали 8 напрессовывают горячую гильзу 10 из магнитоэлектропроводящего материала, после остывания ротора внутрь гильзы с обоих торцов вставляют круговые кольца-протекторы 11 вплотную к нажимным кадмиевым листам 9, места стыковки гильзы, нажимных листов и колец сваривают в единый стыковочный узел 12. После насадки гильзы 10 и сварочных работ на токарном станке нарезают винтоканавочную многозаходную нарезку 13 выбранной конфигурации с заданным числом заходом и шагом.

После всех этих работ производят окончательную механическую обработку всех частей укомплектованных статора и ротора (подгонка замков подшипниковых щитов, шлифовка скользящих пар подшипников, шлифовка всех элементов протекторных защит, центровку ротора относительно расточки статора и т.д.).

Далее производят промежуточную полную сборку машины, без обмотки статора, проверяют механическое вращение вала 8 ротора, маркируют необходимые детали машины и разбирают ее на укладку трехфазной протяжной обмотки 4 статора из обмоточного провода с полимерной изоляцией. После укладки обмотки 4 производят внутримашинное соединение "звезда" и подключают питающий кабель, затем производят окончательную сборку электрической машины.

Изобретение относится к электротехнике, касается, в частности, погружных корабельных электрических машин и позволяет обеспечить повышение надежности, ресурса и срока службы машины за счет исключения контактной коррозии корпуса, а также повышение энергетических и пусковых характеристик. Сущность изобретения состоит в следующем. Электрическая машина содержит корпус 1, в канавки на поверхности которого запрессованы кольца-обручи 6. В пазах пакета 2 статора уложена трехфазная протяжная обмотка 4 из провода с полимерной изоляциней. На пакеты 8 ротора напрессована гильза 10 из композиционного магнитоэлектропроводящего материала, в которую по торцам вплотную к пакету 8 стали ротора вставлены круговые кольца-протекторы 11 и приварены к ней. 1 з. п.ф-лы, 4 ил.

1. Электрическая машина, содержащая статор, ротор с валом, заключенными в корпус, подшипники и подшипниковые щиты с отверстиями для входа и выхода морской воды, при этом статор и ротор имеют протекторную защиту из сплава алюминия, отличающаяся тем, что между валом и подшипниковыми щитами имеются зазоры, корпус статора, выполненный из высокопрочного антикоррозионного материала, имеет на внешней поверхности кольцевые канавки по окружности поверхности, в которые запрессованы внатяг протекторные кольца-обручи, равномерно распределенные по корпусу, ротор имеет со стороны торцов круговые кольца-протекторы, вставленные вплотную к электротехнической стали в гильзу ротора, выполненную из высокопрочного магнитоэлектропроводящего материала, и приваренные к ней, при этом внешняя поверхность гильзы ротора имеет рифление в виде многозаходной винтоканавочной нарезки, симметричной относительно центра ротора, с шагом, равным половине длины гильзы ротора, причем протекторные кольца-обручи корпуса и круговые кольца-протекторы ротора выполнены из алюминиево-магниево-цинкового сплава. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что канавки на роторе по сечению выполнены в виде многоугольников с одинаковой глубиной и шириной.